MRF24J40的ZigBee網(wǎng)絡分析及在電氣監(jiān)測中的應用

摘要：對于電力系統(tǒng)，在線監(jiān)測的困難在于絕緣和強電磁噪聲。ZigBee無線通信技術為電氣監(jiān)測提供了新思路。根據(jù)協(xié)議棧應用層的工作原理構造相應的原語結(jié)構，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡建立和終端設備的網(wǎng)絡連接。協(xié)調(diào)器建立的終端設備綁定表，能夠間接地將收發(fā)設備聯(lián)系在一起。在通過ZENA網(wǎng)絡分析儀器的綁定測試和電壓有效值、頻率采樣電路proteus仿真后，將硬件電路與ZigBee網(wǎng)絡結(jié)合起來，實現(xiàn)了電氣參數(shù)的在線監(jiān)測。
關鍵詞：ZigBee；MRF24J40；綁定；無線監(jiān)測

引言
ZigBee是一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術。ZigBee的組網(wǎng)能力強，廣泛應用于無線傳感網(wǎng)、嵌入式的自動控制和遠程控制領域。ZigBee的協(xié)議棧由一組子層構成，由下至上依次是物理層、介質(zhì)接人控制子層(MAC)、網(wǎng)絡層、應用層，并與單片機配合完成數(shù)據(jù)包裝收發(fā)、校驗、各種網(wǎng)絡拓撲、路由計算等復雜功能。
隨著用戶對電器智能化的要求越來越高，ZigBee技術需要傳輸更多的電氣參量和現(xiàn)場參量，其中電壓有效值和頻率是確保電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要參數(shù)。有線傳輸布線麻煩，會使電器結(jié)構復雜、成本增加、使用不方便，而采用ZigBee技術能夠很好地解決這方面問題。
本文以Microchip公司的PIC18LF4620為核心，硬件收發(fā)電路采用MRF24J40芯片，結(jié)合ZENA網(wǎng)絡分析儀器對ZigBee設備間的綁定和數(shù)據(jù)請求進行監(jiān)控，測試終端將電氣參數(shù)發(fā)往其他設備。

1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構和原理
ZigBee協(xié)議棧的分層結(jié)構中，最下面的兩層是介質(zhì)接入控制子層(MAC)和物理層，這兩層是由IEEE 802．15．4定義的，而上面的網(wǎng)絡層和應用層才是由ZigBee聯(lián)盟定義的。網(wǎng)絡層(NWK)負責設備到設備的通信，并負責網(wǎng)絡中設備初始化、消息路由和網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)；而應用支持子層(APS)可使用NWK提供的服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和安全等服務。此外應用層還可以通過ZigBee設備對象(ZDO)進行網(wǎng)絡層配置和訪問，提供設備發(fā)現(xiàn)、服務發(fā)現(xiàn)和綁定管理服務。用戶程序則通過240個端點與APS對接，實現(xiàn)用戶功能。實現(xiàn)ZigBee任務的關鍵就是在應用層或者ZDO層中配置原語，單片機的任務就是不斷地執(zhí)行各種ZigBee協(xié)議棧任務。

2 ZigBee硬件和軟件設計
2．1 ZigBee硬件設計
ZigBee相關的硬件設計包括兩方面：一是以MRF24J40和PIC18LF4620為核心的射頻電路；二是提供ZigBee網(wǎng)絡分析的ZENA電路板。
MRF24J40的硬件電路包含去耦電路、平衡-不平衡變換電路和時鐘振蕩電路。與單片機相連的則是4線的串行SPI接口，它有中斷、喚醒和復位功能。用戶應用程序通過端點服務接口傳到APS，再依次往下傳至物理層，最后通過SPI控制MRF24J40將數(shù)據(jù)通過天線以電磁波形式發(fā)送出去，接收方的天線收到數(shù)據(jù)后則將數(shù)據(jù)逐層向上傳遞，請求應用層處理。在進行組網(wǎng)時至少需要3個這樣的最小系統(tǒng)板，其中一個作為協(xié)調(diào)器，另兩個作為終端設備或路由器。
ZENA電路板的核心是PIC18LF2550和MRF24J40，MRF24J40用于接收空氣中的電磁波并傳給單片機處理，最終通過USB傳輸?shù)接嬎銠C中。而ZENA網(wǎng)絡監(jiān)視窗口就是該USB對接的界面，這樣通過天線接收到的數(shù)據(jù)被還原成幀的形式顯示出來，由此就可以判斷ZigBee設備發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。
2．2 ZigBee軟件設計
ZigBee協(xié)議棧是通過下層的服務完成自己的功能，同時對上層提供服務。網(wǎng)絡通信是在對等的層次上進行的，而這些服務是設備中的實體通過發(fā)送服務原語來實現(xiàn)的。原語中又包含很多參數(shù)，構造應用層的程序其實也就是對該服務相關的原語參數(shù)進行賦值。綁定的原語為：
APSME-BIND．request{SrcAddr，SrcEndpoint，Clusterld，DstAddrMode，DstAddr，DstEndpoint}。
該原語最前面的APSME表示這是一個APS服務原語，因此在執(zhí)行ZigBee任務時將被送到APS．c文件執(zhí)行。原語里的參數(shù)依次表示發(fā)送該原語設備的源地址、哪個端點發(fā)送該原語的、哪個簇標識符與目的設備綁定、目的地址模式是64位物理地址還是16位網(wǎng)絡短地址、目的設備的地址值，以及將被送到目的設備的哪個端點執(zhí)行。因此要向某設備發(fā)送綁定請求，首先要定義好使用哪個端點和簇ID來執(zhí)行，并且要知道自己和對方的地址，對各參數(shù)賦值完畢后就令currentPremitive=APSME_BIND_request，設備就成功發(fā)送綁定請求了，并等待后續(xù)響應。

3 電壓采樣電路和測頻電路
由于電力線路是高電壓的交流電，而PIC18LF4620只能采樣小于3．3 V的直流電壓，因此線路的電壓都要經(jīng)過變壓器或互感器降壓后再經(jīng)過絕對值線路整流。本文選用電流型的精密微型電壓互感器HPT304，互感器應用電路如圖1所示。通過運算放大器輸出，二次負載基本為0。被測的輸入電壓VIN通過限流電阻RIN限流，產(chǎn)生的0～2 mA電流通過微型電壓互感器。HPT304感應出相同的0～2 mA。通過運算放大器可以調(diào)節(jié)反饋電阻R值在輸出端得到所要求的電壓輸出，而電容C及電阻r是用來補償相位差的。限流電阻RIN要有足夠大的功率。